CASE時代の次世代自動車に求められる電力変換システムとは

 「100年に一度」と言われる大変革の中、世界中の自動車メーカーが「CASE(Connected、Autonomous、Shared、Electric)」の4軸に沿ってクルマを進化させるべく取り組んでいる。「走る」「曲がる」「止まる」といった基本機能から、走行環境を的確に判断する自動運転機能、さらには環境性・利便性・快適性を実現する様々な付加機能まで・・・。次世代車では、クルマに搭載する機能のほとんどが電動化され、データで制御されるようになりそうだ。そして、電気・電子に関わる機構が増え、高度化するにしたがって、そこで消費する電力が膨大になる。このため、CASE時代のクルマを安全かつ安定的に駆動するパワーエレクトロニクスにも、さらなる進化が求められている。

 世界の自動車市場の中で、最も巨大で、最も際立った変化を遂げているのが中国市場だ。自動運転車や電気自動車(EV)など、政府と企業が一丸となって、次世代車の市場形成と技術開発、産業育成を推し進めている。そして中国には、当然のごとく、車載用パワーエレクトロニクスに関する先進的なニーズがある。

 CASE時代、世界の自動車メーカーは、どのよう車載電力変換システムを求めるようになるのだろうか。そして、パワーエレクトロニクス技術を支える半導体メーカーは、いかなる技術を提供して、CASE時代のニーズに応えていくのか。近年、中国市場で際立った成長をみせる自動車メーカーである「吉利汽車」で次世代機能の開発総責任者を務める 用户体验及功能开发中心 资深总工程师の张容波氏と、車載用パワーデバイス分野に注力する半導体メーカーである「ローム」で市場トレンドに即したソリューションを提案するシステムソリューションエンジニアリング本部統括部長の野間亜樹氏が議論した。

世界一の巨大市場中国で芽吹く次世代車

张氏
 世界の自動車産業は、電動化や電子化など推し進める新たなステージに入ったと感じています。世界一の大市場となった中国市場では、その先駆けとなる動きが数多く出てきています。我々、吉利汽車は、こうした動きをリードすべく、将来の自動車開発において、いくつかの方向性を持っています。今日は、それらについて議論できればと考えております。
吉利汽車 用户体验及功能开发中心 资深总工程师の张容波氏
吉利汽車 用户体验及功能开发中心 资深总工程师の张容波氏
野間氏
 世界の中でも、中国は次世代自動車の開発に特に積極的な国です。先進的で変化の激しい市場に対峙している吉利汽車が次世代自動車の開発にどのように取り組んでいるのか。車載用半導体製品を提供しているロームにとって中国の電動化における技術トレンドを知ることが大変重要です。まず、吉利汽車がどのような成長の経緯をたどってきたのかお聞かせください。
张氏
 吉利汽車が自動車産業に進出したのは1997年のことです。2003年には香港で上場しました。そして、スウェーデンのボルボやマレーシアのプロトン、イギリスのロータスなどを傘下に収めるとともに、ドイツのダイムラーの株主になることで、グローバルな活動を展開できる体制を整えました。2018年の生産台数は約150万台を達成しています。

 EVの分野では、「LINK&CO」と呼ぶブランドで、グローバルなビジネスを展開しています。高級車への展開に注力したことで、EVの2019年の販売額を前年比で約3倍に伸ばすことができました。EV化したロンドン・タクシーを開発・提供しているのも吉利汽車です。今後は、ロータスと高出力なEVを展開する予定です。EVだけに限らず、クルマのスマート化にも積極的に取り組んでいます。吉利汽車のすべてのクルマには、既にレベル2もしくはレベル2.5相当の自動運転機能や4Gを介したデータ通信機能が搭載されています。

 さらに、自動車というモノを開発・販売するだけではなく、「曹操出行」と呼ぶオンデマンドの配車サービスをグループ内企業で提供しています。これは、米国でいうウーバー・テクノロジーズが提供しているサービスと同様のものです。曹操出行でサービス提供に用いるクルマからは、EVの運用データや充電設備の情報などを収集しています。こうしたデータが、より価値の高いEVを開発するうえでの基礎データになっています。

車載電力変換システムの開発トレンドを踏まえて
システムソリューションを提供

野間氏
 自社と市場の成長を活かして、先進的な取り組みにも積極的ですね。吉利汽車は、中国の次世代自動車市場をリードする役割を担っているように見えます。

 私たちロームは、次世代自動車に搭載する電力変換システムの開発トレンドを踏まえて、求められるシステムソリューションを的確かつタイムリーに提案していきたいと考えています。様々な種類の次世代自動車を開発するのに合わせた電動化技術開発のペースが加速しています。このため自動車メーカーは、パワーデバイスやアナログICなどを個々に評価したのでは、開発期間が長期化してしまいます。このためロームは、高性能・高品質なデバイスを単体で提供していくだけではなく、新たな価値を持つ完成されたシステムソリューションを提供していく必要があると考えています。吉利汽車をはじめとする先進的なお客様の開発トレンドを正確に捉え、利用しやすい形にまとめ上げて提案することが極めて重要になっています。吉利汽車の取り組みには、ロームが開発・提供していくべき多くのニーズが詰まっているように感じました。
张氏
 車載半導体を供給するメーカーが次世代車の開発トレンドの行方を考察し、システムソリューションに仕上げて提供するというのは、私たち自動車メーカーにとっては頼もしい限りです。ロームでは、車載用半導体の分野で、どのような点を強みにしているのでしょうか。
野間氏
 ロームは、車載分野では、様々なモータの駆動や電装品への電力供給に用いるパワーデバイスやアナログICなどを幅広く品揃えし、供給しています。特に、高電圧バッテリー周辺機器の電力変換効率を向上させるSiCパワーデバイスの分野では、トップリーダーであると自負しています。既に車載市場でもオンボードチャージャー(OBC)やDCDCコンバータ向けに、非常に多くご採用いただいています。この他にも、機能安全に対応した、クラスターやインフォテインメント向けの高精細ディスプレイの駆動・制御チップセットなども提供しています。さらに車載市場の高い安全性への要求に応えるため、2018年には業界に先駆けて自動車向けの機能安全規格である「ISO 26262」の開発プロセス認証を取得しました。我々の自動車向けデバイスの開発プロセスは、ISO 26262の最高レベルの安全度水準である「ASIL-D」まで対応可能です。

 ロームの強みは、徹底した高品質を追求している点にあります。自動車では、たった一つの小さな部品の不良が大事故につながる可能性があります。このため、他市場に向けた製品についても、「われわれは、つねに品質を第一とすることで文化の進歩向上に貢献する」という創業以来の企業目的に沿って、高品質な製品の提供に努めてきました。車載用では、より一層の高品質化が要求されます。ロームは、考え得る限りの高品質で生産するため、「垂直統合型生産体制」を主体とする企業です。技術開発からデバイスやICの設計、ウエハ製造、生産、販売に至るまでのすべてをグループ内で責任を持って遂行し、品質を自社で徹底して管理しています。世界には数多くの半導体メーカーがありますが、SiやSiCのウエハ製造までグループ内で行い、性能の作りこみと品質管理をしているところはほとんどないと思います。また、万全のトレーサビリティも実現しており、お客様は、安心して製品をご使用いただけます。
ローム システムソリューションエンジニアリング本部統括部長の野間亜樹氏
ローム システムソリューションエンジニアリング本部統括部長の野間亜樹氏
张氏
 品質第一の特長は、車載半導体のサプライヤを選定するうえで最も重要な点です。

中国市場はEVやPHEVだけではなく、MHEVも同時並行で進む

野間氏
 欧州の国々では、例えば2025年までにオランダやノルウェーなどが、2030年までにドイツやスウェーデンなどが、2040年までにフランスやイギリスなどが、ガソリン車の販売を禁止する予定です。そして中国でもますますクルマの電動化が加速していますよね。こうした動きに対して、吉利汽車は、どのように取り組んでいるのでしょうか。
张氏
 CASE時代のクルマの開発では、自動運転やコネクテッドなど手掛けるべき技術開発項目が多いのですが、吉利汽車は特に電動車の開発に力を入れています。既に1回の充電で最長500kmの走行が可能な開発レベルで実現できています。また、私たち吉利グループの各社が共用する共通のEVフレームワークも現在開発中です。

 ただしフレームワークを共通化しているのは、EVだけではありません。ストロングハイブリッド車(HEV、エンジンが停止した状態でも蓄積した電気で走行できるタイプ)、プラグインハイブリッド車(PHEV、直接コンセントから充電できるタイプ)、マイルドハイブリッド車(MHEV、エンジンが主要動力源で停止時や発進時などエンジン駆動時に比較的小型の電池とモータがアシストするタイプ)など、ハイブリッド車のフレームワークも同時並行的に開発しています。
野間氏
 中国市場では、特にEVに注力しているというのが世間の一般的なイメージですが、吉利汽車はEVに偏った開発をしているわけではないということが改めて確認できました。吉利汽車では、今後起こりうる法規制の変化に対応できるように、複数の電動化の方式を同時開発しているのですね。
张氏
 その通りです。世界の国や地域ごとに、電動化のトレンドは異なります。例えば、現在の欧州メーカーはMHEVに注力している傾向にあります。吉利汽車でもそれに追随すべく、2018年に中国メーカーとしては初めてフラグシップセダン「博瑞GE」にマイルドハイブリッドバージョンを搭載しました。MHEVは経済的に見て非常に良い解決策だと考えており、継続的に商品開発していきます。2019年にはコンパクトハッチバックやコンパクトSUVでもMHEVを追加しました。現在はMHEVの第二世代を開発しています。第一世代では燃費の約15%削減を達成しましたが、第二世代では20%削減が目標です。

 電動車以外にも新エネルギー車という範疇の中で、最近有力な選択肢の一つとなっている燃料電池自動車(FCV)に関しても、試作車を作るなどの取り組みを行っています。現時点ではFCVは商用車には広がりを見せている段階で、乗用車に普及するのは2025年以降と踏んでいます。我々としては、2025年をターゲットに市場へ投入する予定です。さらに代替エネルギー車として、メタノール車の開発にも力を入れています。既に20年近く開発しており、技術が蓄積されているといえるでしょう。
野間氏
 次世代自動車は新しい半導体のニーズを生み出しますので、どんな地域でどんな方式が主流になっても遅れることなくお応えしていきたいと考えております。

EVの充電スピードアップと周辺部品の小型化向けて、
バッテリーを高電圧化

野間氏
 EVをはじめとする電動車をさらに高性能化するため、吉利汽車では、バッテリー電圧とそれに伴う電力変換システムをどのように進化させていく予定なのでしょうか。
张氏
 まず、エネルギー効率の向上に向けて、高電圧化を推し進める必要があります。吉利汽車では、バッテリーの電圧を現在の約400Vから800Vへと高めたいと考えています。これによって充電時間を短縮させて、ユーザーの利便性が向上します。中国の自動車業界では、800Vへの引き上げが必須になるというのが大方の見方であり、なかには1200Vへの引き上げを予想する意見も出てきています。ただし、高電圧化には課題があります。800Vにすると、OBCではSiCパワーデバイスの利用が必要になると思われるのですが、現在はコスト面に課題があり、簡単に採用することができないことです。ロームは、SiCパワーデバイスのリーディング・カンパニーですよね。SiCパワーデバイスの今後の開発トレンドやロードマップを教えてください。
野間氏
 確かに、バッテリーの電圧を800Vにするとデバイスには1200Vの耐圧が求められるため、IGBTでは導通損失もスイッチング損失も増えてしまいます。従って、SiCパワーデバイスの利用が最適です。バッテリーの電圧が高められると電流を小さくできるので、ハーネスやモータなどの周辺部品の小型化・軽量化も可能になります。充電時間が短くなるメリットだけではありませんよね。ロームでは、そのメリットをより広く享受していただくため、コストダウンに向けた継続的な技術開発と生産体制の整備を進めています。

 ロームのSiC MOSFETでは、単位面積当たりのオン抵抗を低減して導通損失を抑えるのに向くトレンチゲート構造を他社に先駆けて第3世代から採用しています。そして、既にこれを発展させた第4世代のデバイスでは単位面積当たりのオン抵抗のさらなる低減を見込んでいます。これによって、お客様の電力変換効率をアップさせるだけでなく、作り手にとってはチップの小型化、すなわちコストダウンが可能になります。

 また、今後、車載用インバータへのSiCパワーデバイスの本格採用を見据えて、ロームは、2017年から2025年にかけて、SiCパワーデバイスとゲートドライバICを生産する工場に累計850億円という大きな投資を予定しています。これによって、SiCの前工程を2017年に比べて2025年度末までに16倍にまで増強する予定です。SiCウエハも含めて、生産量を向上していけば、量産効果によってコストダウンも進むと考えています。
张氏
 それでは、IGBTと比較しても、コストを含めたメリットが大きくなるのでしょうか。
野間氏
 デバイス単体で比較すれば、何年経ってもSiCの方が安くなることはないでしょうね。ただし、インバータの効率向上によって電池搭載量を少なくすることができます。システム全体としてのコストダウンが可能になるのです。もし、同じ電池搭載量であれば、より長い距離を走ることができるといった利便性も得られます。さらに、長期的な視野に立てば、SiCパワーデバイスを先駆けて使いこなすことで、その利用技術を習得できることもメリットとして挙がります。

 SiパワーデバイスをSiCパワーデバイスに載せ替えただけでも、相応の性能向上が期待できます。しかし、その潜在能力を最大限まで引き出すためには、Si用とは異なるSiC用固有の回路技術が求められます。ドライバICなども、SiCの駆動に最適化したものを採用する必要があります。お客様側で、こうした利用技術を先回りして取得しておけば、将来の技術競争力を高めることにつながると思います。一方、ロームはSiCパワーデバイスの特性をどこよりも熟知しているわけですから、周辺の回路技術も含めて最適化したシステムソリューションを開発・提供していきたいと考えています。さらに、SiC向けの周辺チップや評価ボード、シミュレーション・モデル、アプリケーションノートなどの提供、技術サポートを通じて、お客様でのアプリケーション技術の習熟も徹底的に支えます。

確実に進む「機電一体」の動き、将来はDC-DCコンバータ一体化も

野間氏
 自動車業界では、モータと減速機、さらにはインバータまで、三つの機能を一体化させる「機電一体」化が進んでいますよね。吉利汽車ではこうした動きをどうみていますか。さらに、機電一体の動きを受けて、半導体メーカーに何か期待することはありますか。
张氏
 確かに、eアスクルと呼ばれる駆動モジュール化を加速するティア1が増えており、私たちも検討しています。既に中国の競合他社が、三つの機能どころか、コントローラを含めた四つの機能をモジュール化した製品、さらには五つを集積した製品を検討しているとも聞きます。こうしたモジュール化は、必然的な方向だとみています。
野間氏
 将来的に、DC-DCコンバータやOBCも一体化されるのでしょうか。
张氏
 DC-DCコンバータの一体化はあるかもしれません。ただし、交流と直流を変換するOBCは中国の国の方針としてはなくす方向です。充電速度を高めるため、交流に替えて、直流での充電を普及させようとしているのです。
野間氏
 EV化がさほど進んでいない日本とは随分と市場環境が違いますね。

48Vシステムをクルマの高付加価値化に活用

野間氏
 先ほど、吉利汽車はMHEVを中国で初めて市場投入したと伺いました。次世代車のロードマップの中で、MHEVをどのように位置づけているのでしょうか。
张氏
 MHEVの未来は明るいと考えています。MHEVの開発で最も重要な点は、コスト・パフォーマンスの向上です。先に話題になった機電一体のモジュールを採用して、高性能なパワートレインを低コストで組み立てられる素地を整えることになるでしょう。中国でも燃費向上に対する要求がどんどん厳しくなっています。一足飛びにEVやプラグインハイブリッドに移行できればよいのですが、さらなるコストダウンに向けた課題は残っています。燃費は、20kWのモータをエンジンと併用すれば大幅に向上できることが分かっています。今すぐ広範なクルマの燃費向上に寄与する技術として、MHEVの存在価値は高いと考えています。
野間氏
 中国市場でもMHEVを積極投入していくのですね。
张氏
 その通りです。さらにMHEVでは、エアコンのコンプレッサやエンターテインメント関連のシステムなど様々な電装品も48Vで高出力、高効率に動かす予定です。これによって、快適性や利便性を高めて、クルマを高付加価値にすることができます。既に、これらの電装品を48V電力システムで駆動するための技術開発も進めています。
野間氏
 エアコンやパワステといった駆動系だけでなく、エンターテインメント関連も48V電力システムで給電するのですか。そうなると、新たな技術の需要が生まれますね。48Vからプロセッサのような半導体を駆動する電圧である3Vや1.8Vに降圧する部分が増えてくることでしょう。さらに自動運転車が普及した際には、統合コクピットシステムや自動運転用ECUではで消費する電力が急激に増大する見込みです。そこへの給電にも、48V電力システムの特長が生かせると思います。

 通常、こうした降圧は、途中に12Vなどの中間電圧を挟んで2段階で行う必要がありました。ロームは「Nano Pulse Control」と呼んでいる独自の電源技術を開発した結果、48Vから一段で3Vまで落とせる電源ICを提供しています。48V電力システムの構成をシンプルにするのに、大いに貢献できると考えています。さらにMHEV向けの駆動回路や電源回路などの高性能化に向けて、100V耐圧のSi MOSFETの技術もキャッチアップしてきました。ロームは、高精度な電流検出には欠かせないシャント抵抗も保有しております。これらを合わせて、自動車業界の課題を解決するシステムソリューションを提案していきます。

CASE時代には自動車メーカーと半導体メーカーの協力関係が不可欠

张氏
 自動車の急激な進化に伴って、私たちはたくさんの課題を抱えています。ただし、CASEを軸にして人の安全を第一に進化させていくことに関しては、世界中の自動車関連企業のコンセンサスが得られていると思います。解決すべき課題に挑むうえで、ロームのような高性能・高品質なソリューションを提供する半導体メーカーの協力に大きな期待を掛けています。
野間氏
 中国は国の政策と企業の動きが一体化し、市場と技術がダイナミックに動く国です。お聞きした吉利汽車の動きから、自動車業界の近未来が垣間見えたような思いです。私たちはこうした先進的な取り組みとその行方を学び取り、時代が求めるソリューションを提供していきます。

※この記事は2019年11月に行われた対談をもとにしています。

編集後記
SiC技術とソリューション提案で価値ある次世代自動車を実現
CASEを軸にした大変革の中、競争力の高いクルマを開発するため、半導体をフル活用した新技術の早期投入が強く求められるようになりました。こうしたCASE時代で競争力のあるクルマを追い求める世界の自動車業界の要請に、最先端のSiC技術やソリューション提案でタイムリーかつ的確に応えていくのがロームです。
ソーシャル・デバイス special対談 おすすめ記事※所属・肩書は掲載当時のものです
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